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Lab-on-a-Chip aus Papier
Durch die Nutzung der natürlichen Bewegung von Flüssigkeit durch Papier haben Forscher der Harvard Whitesides-Forschungsgruppe einen Weg gefunden haben, die Mikrofluidik-Technologie viel billiger zu machen. Das Ergebnis könnten Einweg-Diagnosetests sein, die einfach und reichlich genug für den Einsatz in Entwicklungsländern sind.
Farbkodierung: Dieser Prototyp eines neuen Papierdiagnostiktests der Harvard University analysiert den Glukose- (linke Vertiefung) und den Proteingehalt (rechte Vertiefung) des Urins; die obere Vertiefung ist eine Kontrolle für den Glucose-Assay. Der beige Teil des Testpapiers wurde mit einem hydrophoben Polymer behandelt, das die Flüssigkeit in die Vertiefungen leitet. Bei diesem Test wurde das Papier in eine künstliche Urinlösung getaucht, die Glukose und ein aus Kuhblut extrahiertes Protein enthielt.
Das Gebiet der Mikrofluidik beschäftigt sich mit der präzisen Manipulation kleinster Flüssigkeitsmengen. Eine der vielversprechendsten Anwendungen ist das sogenannte Lab-on-a-Chip, das mit viel kleineren Flüssigkeitsproben arbeiten kann, als größere Geräte erfordern, und möglicherweise tragbarere Diagnosewerkzeuge ermöglicht. Doch existierende Mikrofluidik-Chips bestehen in der Regel aus vergleichsweise teuren Materialien wie Silizium, Glas oder Kunststoff und haben winzige Pumpen und Ventile, die schwer herzustellen sind.
Nun haben George Whitesides von Harvard und sein Team ein mikrofluidisches Gerät auf einem Papierquadrat von der Größe eines kleinen Fingernagels gebaut. Es ist das erste Beispiel, das ich von Papiermikrofluidik gehört habe, sagt Albert Folch , einem Bioingenieur an der University of Washington, der sich mit Mikrofabrikation beschäftigt. Das ist wirklich clever, weil es als Substrat Papier verwendet, das überall erhältlich ist.
Obwohl größere Papiertests (wie die für Schwangerschaften) üblich sind, reduzieren das Schrumpfen des Papiers und die Minimierung der Menge der erforderlichen chemischen Reagenzien die Herstellungskosten. Die Möglichkeit, die Probe auf bestimmte Bereiche des Papiers zu richten, ermöglicht die gleichzeitige Durchführung mehrerer Tests, um nach mehreren Symptomen einer Erkrankung wie Nierenversagen oder Infektionskrankheiten zu suchen, sagt Whitesides. Und die Reduzierung der Probengröße ist ein besonderer Vorteil in Entwicklungsländern, wo durch die nichtinvasive Entnahme kleiner Flüssigkeitsmengen Spritzen überflüssig werden, die schwer zu reinigen und zu entsorgen sind.
Ein Blut- oder Urintropfen, der am Rand des Whitesides-Geräts aufgesogen wird, bewegt sich auf natürliche Weise durch das Papier, ähnlich wie sich Wein durch eine Papierserviette ausbreitet. Das Papier ist jedoch mit einem hydrophoben Polymer behandelt, das die Flüssigkeit entlang vorgeschriebener Kanäle leitet. Sobald die Flüssigkeit die Wells an den Enden der Kanäle erreicht, interagiert sie mit den Reagenzien und färbt das Papier anders. Die Farben können mit denen auf einem Farbschlüssel abgeglichen werden, ähnlich wie bei einem pH-Test. Ein Testdesign, das wie ein miniaturisierter, dreiverzweigter, geometrischer Baum aussieht, könnte zum Beispiel Vertiefungen am Ende von zwei Zweigen für einen Glukose-Assay und eine am Ende des dritten für einen Protein-Assay aufweisen.
Das Design verzichtet auf teure Komponenten, die bei herkömmlichen Mikrofluidikgeräten üblich sind: Chemische Reaktionen, die Teile des Papiers färben, ersetzen ausgeklügelte Sensoren und Analysatoren, während die natürliche Kapillarwirkung des Papiers zur Absorption von Flüssigkeiten die Notwendigkeit externer Pumpen oder Stromquellen vermeidet. Diagnostic for All – ein Spin-off, das von Whitesides und dem Harvard-Gastwissenschaftler Hayat Sindi mit Unterstützung von Partnern vom MIT gegründet wurde – kommerzialisiert die Technologie.
Anstatt Kanäle in ein Material zu ätzen, wie es die meisten Mikrofluidik-Designer tun, konnten Whitesides und Sindi das dem Papier innewohnende Netzwerk von Kanälen nutzen. das hydrophobe Polymer dichtet einfach die Kanäle ab, die die Forscher nicht nutzen wollen. Das wirklich Clevere an diesem System ist, dass es tatsächlich das gesamte Volumen des Substrats gemustert hat, erklärt Folch. Das Papier selbst bildet ein Netzwerk von Kapillaren.
Als Nachteil stellt Folch fest, dass sie aufgrund der begrenzten Pumpwirkung der Papiertests wahrscheinlich keine komplexeren chemischen Reaktionen durchführen können.
Abgesehen davon, dass die Geräte billiger werden, haben die Designer auch andere Eigenschaften im Auge behalten, die sie in Entwicklungsländern praktischer machen würden. Das geringe Gewicht und die Bruchfestigkeit des Tests machen ihn tragbarer als Tests, die auf leicht zerbrechlichen Glasoberflächen gemustert sind. Der Papierchip ist auch durch Verbrennung leicht zu entsorgen, ein wichtiger Aspekt in Entwicklungsländern, die sich mit der Aufrechterhaltung der öffentlichen Gesundheit befassen, sagt Whitesides. Die Dinge, die wir hier entwickeln, sollen für das Screening der öffentlichen Gesundheit in den Entwicklungsländern nützlich sein, sagt er. Anstatt die Medizin der ersten Welt zu nehmen und zu verkleinern, begann das Team bei der Entwicklung der Technologie mit Blick auf die Entwicklungsländer und konzentrierte sich auf Benutzerfreundlichkeit, Erschwinglichkeit und Tragbarkeit, sagt Whitesides.
Um das Gerät für Entwicklungsländer zu optimieren, plant das Team, die Papiertests mit einem Mobiltelefonsystem für die externe Diagnose zu kombinieren, um die erforderliche Expertise für die Verwendung der Tests zu minimieren. Es ist in erster Linie eine Möglichkeit, die wertvolle Zeit und die begrenzten Ressourcen des Gesundheitspersonals zu sparen, sagt Whitesides. Das Team stellt sich vor, dass in ländlichen Gebieten, in denen es nur wenige Ärzte gibt, Menschen, die nur für die Durchführung der Tests ausgebildet sind, diese durchführen und sie an eine zentrale Einrichtung zurücksenden, wo ein Arzt diese Informationen einsieht und Diagnose und Behandlung [empfehlt], ohne dass dies erforderlich ist tatsächlich dort sein, sagt Whitesides.
Whiteside und seine Kollegen haben das Papier-Diagnosetool jetzt mit künstlichem Urin getestet. In einem im letzten Monat veröffentlichten Papier analysierten sie die Papierergebnisse aus der Ferne über Telefonkameras und stellten fest, dass die Ergebnisse in ihrer Genauigkeit mit einer Vor-Ort-Analyse vergleichbar waren, sagt Whitesides.
Der nächste Schritt sei eine klinische Erprobung und der Einsatz irgendwo in Afrika, sagt Sindi. Derzeit teste das Team das Gerät unter rauen Bedingungen wie Hochdruck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit, sagt sie. Bisher scheint der Test nicht beeinträchtigt zu sein, sagt Whitesides. Das Team hofft schließlich, über die Humandiagnostik hinauszugehen und Geräte zum Testen von Wasser, Vieh und anderen Nahrungsquellen zu entwickeln.
Die Arten von diagnostischen Assays, die Sie durchführen möchten, und die Arten von Problemen, die Sie lösen möchten, sind in der realen Welt sehr unterschiedlich, sagt Mehmet Fatih Yanik , Assistant Professor am Research Laboratory of Electronics am MIT. Das Schöne an Papier ist, dass es eine sehr flexible Plattform für die Durchführung einer Vielzahl von Assays ist. Er fügt hinzu, dass die Herstellung mikrofluidischer Geräte wie die der Whitesides-Gruppe viel billiger ist als die Herstellung von Massendiagnosegeräten. Die Kombination der beiden kostengünstigen Systeme – der papierbasierten Fluidik und Mobiltelefone, die in Entwicklungsländern allgegenwärtig sind – sei eine neuartige Idee, sagt Yanik.
Es bringt wirklich ein Werkzeug mit sich, das einen großen Einfluss auf die Implementierung der Mikrofluidik haben wird, eine Technologie, die normalerweise viel Hardware und Fachwissen erfordert, sagt Folch. Sie haben die Barriere gesenkt und sind in der Lage, Mikrofluidik sozusagen in die Masse zu bringen.